并联混合动力汽车动力系统参数快速匹配方法研究

摘要：针对由制造商确定发动机功率的单轴混合动力运动型多用途汽车动力系统的参数匹配问题，文章提出了一种基于汽车理论的动力部件参数快速匹配方法。 通过匹配计算，获得皮带传动启动式电机(BSG：Belt-Driven Starter Generator)，集成启动/发电一体电机(ISG：Integrated Starter Generator)和动力电池的主要参数。 然后基于Cruise和MATLAB / Simulink仿真软件建立了联合仿真模型。 联合仿真的结果表明，匹配的汽车动力性符合设计要求，燃油经济性提高了30％以上。

关键字：并联混合动力，电动汽车，动力系统，参数匹配，发动机。

1. 前言

并联混合动力汽车(PHEV：Parallel hybrid electric vehicle)比串联配置汽车有更多的驾驶模式，可以适应多种驾驶条件。发动机可以在中高速行驶时直接驱动车辆，提高传动效率。同时，并联式结构比混联式结构更简单、更易于控制。

在文章中，一种对于发动机功率由制造商确定的单轴并联结构式混合动力运动型多用途汽车（SUV：sport utility vehicle）的动力系统参数匹配方法被提出。快速地计算出电驱动系统关键组件的参数。 联合仿真验证的结果表明，匹配的车辆动力学符合设计要求，燃油经济性也大大提高。电力驱动系统的关键部件的参数可以被简单且快速地计算出。联合仿真验证结果表明，匹配后的汽车动力性满足设计要求，燃油经济性也有大幅提高。

1. 系统结构

本文的研究对象是一种装备着无级变速器(CVT：Continuously Variable Transmission)(图1)的单轴并联式混合动力运动型多用途汽车。通过将皮带传动启动电机与发动机前端皮带轮耦合，实现发动机的启停功能。在发动机和离合器后面，集成启动/发电一体电机与发动机同轴耦合。所有的驱动力都通过无级变速器输出到车轮。

因此，并联式混合动力运动型多用途汽车可以实现五种主要的驱动模式，即纯电动电机驱动模式、发动机启动模式、发动机运行(包括纯发动机驱动模式、发动机驱动与发电模式、发动机与ISG电机共同驱动模式)模式。在不同的驱动模式下，必须根据动力分配来单独或共同控制发动机或ISG电机的配合。

图1所示。并联式混合动力运动型多用途汽车动力系统结构

1. 动力系统参数匹配
   1. 设计说明书

并联式混合动力运动型多用途汽车动力是基于传统结构开发出的。发动机和CVT参数已由合作公司确定。需要匹配的组件包括：BSG电动机和皮带轮速比，ISG电动机和动力电池。汽车的基本参数和汽车设计指标如下所示（表1，表2）。

表1.汽车参数

表2.汽车设计指标

• 1. BSG电机和皮带轮参数匹配

BSG电机用于实现发动机的怠速启动和停止功能，以及驱动过程中的发电的功能。因此，BSG电机的峰值功率应满足启动发动机的功率要求。同时高效率部分与发动机相匹配，以提高工作效率。当BSG电机启动发动机时，两者之间的转矩关系如式(1)所示：

(1)

式中为BSG电机峰值扭矩(Nm)， 为发动机曲轴惯性(kg·m²)，n_e为发动机转速(r/min)，为牵引发动机时的阻力扭矩(Nm)。

根据发动机的机械功率损耗曲线，可以对发动机的抗扭转力矩进行拟合和估计。从计算结果来看，当发动机转速在0.3s内增加到1200 rpm时，所需转矩为61Nm，而电机峰值转矩提供的最小值为61Nm，且额定转速不低于要求的转速。发动机和BSG电机通过一对皮带轮连接。BSG电机最高转速与皮带轮转速比的乘积不能低于发动机最高转速6000rpm。因为电机的高效区域通常位于额定转速左右,电机的最大转速和基本转速的转速比例一般是2比4,即当电动机的最大速度是6000rpm,额定速度不应少于1500 rpm。综上所述，初始额定转速为2000 rpm。电机峰值功率计算公式如式(2)所示

(2)

其中，为电机的最大驱动力矩(Nm)，为电机的基本转速(r/min)。

不同的皮带轮转速比导致BSG电机转矩点移动。转速比增大，转矩减小，但转速增大。结合目前市场上现有电机的情况，选择皮带轮转速比为1.5,BSG电机的额定功率和峰值功率分别为8kw和13kw。

• 1. ISG电机参数匹配

ISG电机主要用于低速纯电动驱动和高速或快速加速时的辅助驱动。因此，ISG电机的功率必须辅助满足车辆的动力性要求:行驶时的最大速度、最大爬坡度需要的功率、百公里加速功率如式(3)所示

(3)

g是重力加速度(m/s), v_max最大速度(km/h),eta;是传动系效率(%).

根据式(3)，当车辆以140 km/h的最大速度行驶时，总功率为54.5 kW。同时, 在最高速度的要求的无级变速器装置的目标转速比需要计算:发动机工作在最佳功率曲线以满足电力需求,和当转速比的比值为0.56时发动机工作在最大功率。综上所述，当车辆以最高速度运行时，总所需功率为54.5 kW，发动机提供54.5kW, ISG电机提供0kW。

根据发动机特性，最大转矩为4000rpm。然而，考虑到ISG电机的高效区与发动机匹配，其额定转速被限制在1500~3000rpm。因此，在爬坡过程中，发动机和ISG电机的转速被控制在3000 rpm。此时，可以根据汽车理论可得，当发动机转速为3000 rpm时，发动机可以提供137Nm的转矩，CVT的最大速比为2.32，相应速度为27.3 km/h。根据CVT输入轴的爬坡速度和扭矩，可以计算出车辆的最大爬升度为26%。最大爬坡度对应的所需功率如式(4)：

(4)

v_i爬坡时匀速速度(km/h),alpha;是道路斜率(radian).

当车辆以27公里/小时爬升27%时，车辆总功率为54千瓦。选择的无级变速器速转速比是2.32，发动机被控制在以与当前车速对应的最大发动机功率工作。相应的发动机和ISG电机转速为2963rpm。此时，发动机和ISG电机的工作功率分别为8kw和13kw。

根据汽车理论，汽车行驶功率所需要的加速时间可按式(5)计算：

(5)

为汽车加速度对应的功率需求(kW)，为加速度时间(s)，为过程结束时的加速度速度(km/h)。

根据匹配条件，整车在12s加速至100km /h时的总驱动功率为105kw。根据车辆限速和适当地控制无级变速器转速比时车速的近似变化，发动机和电机的功率分别为80kw和25kw。

综合上述在高速、爬坡和加速条件下的匹配结果，可以初步确定ISG电机的峰值功率为28kw，额定功率为15kw，峰值转矩为90Nm，额定转矩为48Nm。

2.4电池参数匹配

电池一般分为两类:能量型和动力型。由于车辆没有纯电动行驶里程要求，所以选择动力电池作为动力类型，匹配时主要考虑动力需求。电池功率与电机有关，即电池的输出功率必须满足电机的功率需求，如式(6)所示

(6)

和分别为电机和电池效率(%), 把经验值设为0.9.

在稳态条件下(最高稳定转速和最大稳定爬升)确定电机额定功率为18kW，则蓄电池连续放电功率可为20kw;根据0~100km /h极限加速工况，计算出电机的峰值功率需求为28kw，电池短时峰值放电功率需求约为30kw。

电池容量与其最大充/放电容量有关。确定电平后，其容量与最大充/放电电流成反比，如（7）所示。

根据电池容量与能量之间的关系，可以计算出电池的能量需求，如式（8）所示.

(7)

(8)

为最大充电率的倒数，, V分别为最大放电电流(A)和电池电压（V），U_b为电池平均工作电压(V)。

总之，混合动力汽车的动力电池参数匹配结果如下表3所示。

表3.选择电池参数

1. 联合仿真验证

在匹配了系统各部件的参数的基础上，使用Cruise和MATLAB/Simulink仿真软件建立联合仿真平台，验证整车的动力性和经济性。

在半负载条件下，通过在Cruise设置较高的仿真速度，可以得到汽车的最大速度仿真结果(图2)。如图2所示，汽车最大速度可达到179 km/h,最大百公里加速时间约为12s。在满负荷情况下，通过在Cruise中设置逐渐增加的速度和道路坡度的条件得到的结果(图3)。可以清楚地看到，为了满足图3中的爬坡性能指标，车辆可以以24km/h的速度行驶在27%的爬坡坡度。

图2.快速加速时汽车速度。

图3. 最大爬坡仿真结果。

在MATLAB / Simulink平台上确定了车辆驾驶模式并建立了车辆控制算法。 根据国家标准的要求，在NEDC循环条件下，使用“整备质量 100千克”进行经济模拟。发动机的仿真结果如下（图4，图5）。

图4.发动机工作点位置。

图5.发动机工作点的时间分布。

从发动机工作点分布的普遍特征图(图4) 可以看到, 适当的ISG电机额定功率以及CVT速比的调整可使发动机通常在高效率范围内工作（1000〜3000 rpm，40〜120 Nm），并且时间比 超过86％。 而且，大多数发动机工作点位于低速，中等负载效率区域（图5）。这将大大降低汽车的燃料消耗。另外，仿真前后的荷电状态差值很小，电能比例小于1％。 根据国家标准的综合油耗为5.82 L / 100km，与传统汽车的8.5 L / 100km相比，可实现31.5％的节油率，从而具有更好的经济性能。

1. 结论

对于具有单轴并联结构的并联混合动力汽车，使用车辆理论方法，并根据制造商所需的发动机功率来匹配动力系统其他关键组件的参数。在此基础上，建立了Cruise和MATLAB / Simulink的联合仿真模型，以验证动力性和经济性的仿真结果。结果表明，所提出的匹配方法不仅可以快速，准确地获取主要部件参数，而且可以提高车辆的动态性能，以满足设计指标和经济性的要求。

当然，该研究方法还存在一定的局限性，有待改进：本文的方法是基于发动机功率确定的，如果需要确定发动机功率，则必须进行一些调整。本文在匹配过程中简化了各个部件的效率，这将给汽车的实际性能带来一些偏差。

参考文献

1. Hohn, B. R., Pflaum, H., Lechner, C.等人(2010)。具有改善的驾驶性能的高效的CVT混合动力传动系统。International Journal of Vehicle Design，53(1-2)，70-88。

2.Yang，N(2015)。双行星齿轮混合动力电动客车的优化设计与动态控制。吉林大学。

3.Yu,N(2009)。汽车理论。16页。中国机械工业出版社，北京。

Zen,X。Yang,N。Wang,J。， and Other，(2015)。基于预测模型的混合动力客车动态协调控制策略。机械系统与信号处理，(60)，785-798。

4.Zhao,X。,(2

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